JPWO2018131338A1

JPWO2018131338A1 - 無線電池システム

Info

Publication number: JPWO2018131338A1
Application number: JP2018561855A
Authority: JP
Inventors: 孝徳山添; 啓坂部
Original assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Current assignee: Vehicle Energy Japan Inc
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-12-06
Publication date: 2019-11-07
Anticipated expiration: 2037-12-06
Also published as: US20200028218A1; WO2018131338A1; JP6847981B2

Abstract

無線通信エラーが少なく、ＣＣの消費電力が少ない無線電池システムを提供する。電池セルに接続された複数のセルコントローラと、複数のセルコントローラと無線で接続されるバッテリコントローラと、を備え、バッテリコントローラと複数のセルコントローラとはデイジーチェーン方式で無線接続され、複数のセルコントローラはパッシブ受信で制御される無線電池システム。これにより、無線通信エラーが少なく、ＣＣの消費電力が少ない無線電池システムを提供できる。

Description

本発明は、無線電池システムに関する。

現在、地球環境問題が大きくクローズアップされる中、地球温暖化防止の為に、あらゆる場面で炭酸ガスの排出削減が求められており、炭酸ガスの大きな排出源となっているガソリンエンジンの自動車については、ハイブリッド電気自動車や電機自動車などへの代替が始まっている。

ハイブリッド電気自動車や電気自動車の動力用電源に代表される大型二次電池は、高出力、大容量であることが必要である為、それを構成する蓄電池モジュール内は、複数の電池（以降、セルと言う）を直並列接続して構成される。

また、二次電池であるリチウムイオン電池は、高電圧充電の防止や過放電による性能低下の防止などの適切な二次電池の使いこなしが必要となる。この為、ハイブリッド電気自動車や電気自動車に搭載される蓄電池モジュールには、電池の状態である電圧、電流、温度などを検出する機能を持っている。図１にハイブリッド電気自動車や電気自動車に搭載される蓄電池モジュールの構成を示す。図１に示すように、複数のセルはセルコントローラ（以降、ＣＣと言う）と接続され、ＣＣは、複数のセルの状態を計測する。また、複数のＣＣはバッテリコントローラ（以降、ＢＣと言う）に接続され、ＢＣは、複数のＣＣから複数のセルの状態を取得する。さらにＢＣは、取得した複数のセルの状態から充電状態（ＳＯＣ：ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）や電池劣化状態（ＳＯＨ：ＳｔａｔｅｏｆＨｅａｌｔｈ）を演算し、上位のハイブリッドコントローラなどに演算結果を通知する。

図１では、ＢＣとＣＣは有線通信であるが、特許文献１、特許文献２では、ＣＣとＢＣ間を有線から無線にすることによって、配線コストや高電圧対策の為の絶縁回路を無くすことができるので、コストを低減できるとある。また、特許文献２では、隣接して配置された電池モジュール同士で無線通信アンテナを介して、電池状態を有する情報を１対１で無線通信することで、送信信号の干渉による通信不良回避が可能とある。

特開２００５−１３５７６２号公報特開２０１２−２２２９１３号公報

特許文献１では、ＣＣとして無線タグを使用して無線通信することを基本としている為、通信距離が短くなり１つのＢＣで複数のＣＣと通信しようとすると、通信エラーが発生しやすくなる可能性がある。また、特許文献２では、無線タグを使用しない隣接したＣＣ間での通信の為、通信エラーは軽減できるが、送受信時のＣＣの消費電力が大きいことが考えられる。

そこで、本発明の目的は、無線通信エラーが少なく、ＣＣの消費電力が少ない無線電池システムを提供するものである。本発明の前記並びにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

上記課題を解決するための本発明の特徴は、例えば以下の通りである。

電池セルに接続された複数のセルコントローラと、複数のセルコントローラと無線で接続されるバッテリコントローラと、を備え、バッテリコントローラと複数のセルコントローラとはデイジーチェーン方式で無線接続され、複数のセルコントローラはパッシブ受信で制御される無線電池システム。

本発明により、無線通信エラーが少なく、ＣＣの消費電力が少ない無線電池システムを提供できる。

車載用蓄電池モジュールの構成図。無線電池システムの構成図。ＣＣの送信データの内容を示す図。ＣＣの回路構成図。ＢＣの回路構成図。ＢＣ、ＣＣの無線回路図。電池セル電池にＣＣを実装した図。電池セル上面からＣＣを見た図。ＣＣを実装した複数の電池セルとＢＣアンテナの配置図。従来の１対Ｎでの無線電池システムの配置図。ダイポールアンテナの放射パターンの例。ＡＳＫ復調時のＳ／ＮとＢＥＲの相関図。無線電池システムの構成図。無線電池システムの構成図。図１３ＡにおけるＣＣの送信データの内容を示す図。図１３ＢにおけるＣＣの送信データの内容を示す図。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能である。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

本発明の一実施形態に係る無線電池システムの構成図を図２に示す。基本構成は、１つのＢＣ２００（バッテリコントローラ）と複数のＣＣ１００（セルコントローラ）がネットワークを構築して、無線パケットを用いた通信を行う。ＣＣ１００は、各電池セルまたは複数の電池セル毎に搭載され、電池セルの電力で動作する。ＣＣ１００は、ＩＣカードやＲＦＩＤのような無線電波の電力を使用して動作してもよい。無線電波の電力でＣＣ１００を動作させると、通信距離により電波電力が減衰するので、通信距離は電力依存になり、通信距離は数cmから数十cmになる。一方、電池セルの電力でＣＣ１００を動作させると、通信距離は送受信特性に依存し、数m程度にできる。また、各電池セル３００および各ＣＣ１００は直近に配置される。

ＢＣ２００は、各電池セル３００の電池状態（電圧、温度など）を確認する為に、ＣＣ１００−１に起動信号を周期的に送信する。ＣＣ１００−１は、起動信号をパッシブ受信すると、セル３００―１の電池状態（電圧、温度など）を計測し、その計測値をＣＣ１００−２へ送信する。この時、ＣＣ１００−１はＢＣ２００へ起動信号を受信した事を通知するＡＣＫ信号を送信してもよい。

ＣＣ１００−２は、ＣＣ１００−１からの送信信号をパッシブ受信すると、電池セル３００―２の電池状態を計測し、ＣＣ１００―１からの受信データ（セル３００―１の電池状態）に加えて、電池セル３００―２の状態をＣＣ１００―３へ送信する。この時、ＣＣ１００―２はＣＣ１００―１へデータを受信した事を通知するＡＣＫ信号を送信してもよい。このように、ＢＣ２００および各ＣＣ１００はデイジーチェーン方式で無線通信し、ＢＣ２００は、全てのＣＣ１００が計測した電池セル３００の電池状態をパッシブ受信することが可能となる。

以上のように、図２では、複数のＣＣ１００は、ＣＣ１００―１（第一のセルコントローラ）、ＣＣ１００−２（第二のセルコントローラ）およびＣＣ１００−３（第三のセルコントローラ）を有しており、各ＣＣ１００は、ＢＣ２００からの起動信号または他のＣＣ１００からの電池セル３００の電池状態をパッシブ受信すると、受信データを受信したことを示す応答信号をＢＣ２００または他のＣＣ１００へ返す。例えば、ＣＣ１００−２は、ＣＣ１００−２に接続されている電池セル３００の電池状態を、ＣＣ１００−１から受信したデータに追加して、ＣＣ１００−３に送信する。

この時、ＣＣ１００―１よりもＣＣ１００―２、ＣＣ１００―２よりもＣＣ１００―３の方が送信データが多くなり、送信時間が長くなる。各ＣＣ１００の送信時間が異なると、各ＣＣ１００の消費電力が異なり、電池セル３００のＳＯＣ（充電状態）が異なってくる。そこで、各ＣＣ１００で送信時間を合わせる為に、図３のようにデータ送信はしていないが、無変調送信する区間を設けて送信時間を合わせるようにする。図３は、本発明の一実施形態に係るＣＣの送信データの内容を示す図である。

図４に本発明の一実施形態に係るＣＣの回路構成図、図５に本発明の一実施形態に係るＢＣの回路構成図を示す。また、図６には本発明の一実施形態に係るＢＣ、ＣＣの無線回路構成図を示す。

まず、図４にてＣＣ１００の回路構成を説明する。各ＣＣ１００は、電池セル群１０に取り付けられ、電池セル３００の電池状態を計測する。電池セル群１０は１または複数の電池セル３００から成る。ＣＣ１００内は、電池セル３００の電池状態を計測するセンサー２０、電池セル３００の状態情報を取得し処理する処理部３０、無線回路４０および電波を入出力するアンテナ５０、から構成される。センサー２０は１つまたは複数からなる。

処理部３０は、電池セル群１０から電源をもらって動作電圧を生成する電源回路３１と、センサー２０によって計測されたアナログ値をデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換器３２（ＡＤＣ）と、Ａ／Ｄ変換器３２によって変換されたデータを無線回路に出力する論理回路３３と、個体識別情報（固有ＩＤ）などを記憶する記憶装置３４（メモリ）と、クロック発生器３５から構成される。クロック発生器３５は、数ＭＨｚから数百ＭＨｚ程度の高速クロックと数十ｋＨｚ程度の低速クロックを切替えて発振することができる。また、論理回路３３は、無線受信の有無や状態に応じて、無線回路４０及び論理回路３３内の一部の回路のオン／オフ、クロック発生器３５のクロック周波数の切り替え、記憶装置３４へのリード／ライトを実行することができる。

次に、図５にてＢＣの回路構成を説明する。ＢＣ２００は、無線回路２１０、論理回路２２０、電池を含む電源回路２３０、記憶装置２４０（メモリ）、クロック発生器２６０、１つ以上のアンテナ２５０から構成される。電源回路２３０については、図５では電池を内蔵しているが、外部から電源を供給しても構わない。

図６は、ＢＣ、ＣＣの無線回路を示す。送信は、乗算回路（ミキサ）で送信データに応じてＡＳＫ変調波を作り、送信アンプで増幅してアンテナへ出力する。一方、受信は、アンテナで受信したＡＳＫ変調波をダイオード、抵抗、コンデンサのパッシブ部品で包絡線復調（パッシブ受信）する。換言すれば、複数のＣＣ１００はパッシブ受信で制御されている。これにより、受信待ち受け時や、受信時の無線回路の消費電力をゼロに近づけることが可能である。

図７には、角型の電池セルにＣＣを実装した図を示す。図８は、角型の電池セル上面からＣＣを見た図である。ＢＣ２００およびＣＣ１００のアンテナ放射パターンは、側面Ａ側に強くなるようにすることで、両横のＣＣ１００との電波強度が強くでき通信エラーを軽減することが可能となる。換言すれば、ＣＣ１００およびＢＣ２００は、データを送受信するアンテナを有し、複数のＣＣ１００のいずれかのＣＣ１００が有するアンテナは、デーの受信先または送信先であるＣＣ１００またはＢＣ２００のアンテナの方向に指向性が強くなっていることで、両横のＣＣ１００との電波強度が強くでき通信エラーを軽減することが可能となる。

図９は、アンテナ放射パターンを踏まえてセルを１０個配置した時の図である。ここで、どの程度の高信頼の無線通信ができるのかを確認した。特許文献１のような１つのＢＣ２００で複数のＣＣ１００と通信するような１対Ｎの通信をする場合、ＢＣ２００は図１０に示すように、各ＣＣ１００の上面に配置するとした。図１０は、従来の１対Ｎでの無線電池システムの配置図である。また、図１０の例では、ＢＣ２００は一般的なダイポールアンテナ（最大絶対利得２．１４ｄＢｉ）でアンテナ放射角度３０°以上で通信させようと配置した時の例である。

図１１は、ダイポールアンテナの放射パターンの例であり、ＣＣ１００―１およびＣＣ１００−１０の放射角度は３０°になるので、アンテナゲインの相対比は−７．５ｄＢとなる。また、最長通信距離は、ＣＣ１００―１とＣＣ１００―１０で１５３ｍｍとなる。通信周波数を２．４５ＧＨｚとした場合、（式１）のフリスの公式から、１５３ｍｍの空間ロスは−２４ｄＢとなる。また、アンテナの指向性を考慮したアンテナゲイン（ロス）は、−５．３６ｄＢ（＝２．１４−７．５）となり、空間ロスと合わせると、ＣＣ１００―１、ＣＣ１００―１０では−２９．３６ｄＢのロスとなる。（式１）において、ｄ：距離（ｍ）、λ：波長（ｍ）、である。

空間ロス（ｄＢ）＝２０×ｌｏｇ（４π×ｄ／λ）・・・・・（１）

一方、本発明の構成である図９では、１対１通信となる為、ＢＣ２００−ＣＣ１００間、ＣＣ１００間の通信距離はセルの側面Ｂ幅である２６．５ｍｍで、２．４５ＧＨｚでの空間ロスは（式１）から−８．７ｄＢとなる。また、アンテナの指向性による相対比は０ｄＢ（図８参照）とすることが可能で、合計のロスは距離による空間ロス−８．７ｄＢにダイポールアンテナゲイン２．１４ｄＢｉを加えた−６．５６ｄＢとなる。１対Ｎの通信の場合のロス−２９．３６ｄＢと比較すると、２２．８ｄＢのロスが軽減されることになる。これは、Ｓ／Ｎが２２．８ｄＢよくなることと同じである。

図１２に、ＡＳＫ復調時のＳ／Ｎ（信号対ノイズ比率）とＢＥＲ（ビットエラーレート）の相関図を示す。Ｓ／Ｎ＝０ｄＢでのＢＥＲは１０^−１、Ｓ／Ｎ＝２０ｄＢでのＢＥＲは、約１０^−１３となる。この結果から、本発明により通信信頼性が向上することがわかる。

図１３Ａと図１３Ｂに、無線電池システムの構成図を示す。ＢＣ２００は交互に送信先、受信先のＣＣ１００を変えて通信する。換言すれば、ＢＣ２００は、送信先のＣＣ１００へ起動信号を送信し、起動信号送信から所定時間経過後、データ受信先のＣＣ１００からデータを受信する。次に、データ受信先のＣＣ１００へ起動信号を送信し、起動信号送信から所定時間経過後、送信先のＣＣ１００からデータを受信するように、送信先とデータ受信先を交互に入れ替えて通信している。例えば、図１３ＡではＢＣ２００は、ＣＣ１００−１へ起動信号を送信し、ＣＣ１００−Ｎから各ＣＣ１００のデータを受信する。次にＢＣ２００が起動信号を送る時は、図１３Ｂのように、ＣＣ１００−Ｎへ起動信号を送信し、ＣＣ１００−１から各ＣＣ１００のデータを受信する。

また、図１３Ａおよび図１３Ｂにおける各ＣＣの送信データの内容を図１４Ａと図１４Ｂに示す。ＢＣ２００は交互に送信先、受信先のＣＣ１００を変えて通信することで、各ＣＣ１００の送信データ数は同じで送信時間も同じにすることが可能となる。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以下のとおりである。複数の電池セルに形成された複数のセルコントローラと、
複数のセルコントローラと無線で接続されるバッテリコントローラとを備え、バッテリコントローラと複数のセルコントローラとはデイジーチェーン方式で接続され、複数のセルコントローラはパッシブ受信で制御される。これにより、無線通信エラーが少ない高信頼の無線通信が可能で、セルコントローラにおいてはパッシブ受信により低消費電力動作が可能となる。

１０電池セル群
２０センサー
３０処理部
３１電源回路
３２Ａ／Ｄ変換器
３３論理回路
３４記憶装置
３５クロック発生器
４０無線回路
５０アンテナ
１００ＣＣ
２００ＢＣ
２１０無線回路
２２０論理回路
２３０電源回路
２４０記憶装置
２５０アンテナ
２６０クロック発生器
３００電池セル

Claims

電池セルに接続された複数のセルコントローラと、
前記複数のセルコントローラと無線で接続されるバッテリコントローラと、を備え、
前記バッテリコントローラと前記複数のセルコントローラとはデイジーチェーン方式で無線接続され、
前記複数のセルコントローラはパッシブ受信で制御される無線電池システム。
請求項１の無線電池システムにおいて、
前記バッテリコントローラは、周期的に前記複数のセルコントローラへ起動信号を送信し、
前記バッテリコントローラは、前記複数のセルコントローラから前記電池セルの電池状態をパッシブ受信する無線電池システム。
請求項１の無線電池システムにおいて、
前記複数のセルコントローラは、前記電池セルの電力で動作し、
前記複数のセルコントローラは、第一のセルコントローラ、第二のセルコントローラおよび第三のセルコントローラを有し、
前記第二のセルコントローラは、前記バッテリコントローラからの起動信号または第一のセルコントローラからの前記電池セルの電池状態をパッシブ受信すると、受信データを受信したことを示す応答信号を前記バッテリコントローラまたは前記第一のセルコントローラへ返し、
前記第二のセルコントローラは、前記第二のセルコントローラに接続されている前記電池セルの電池状態を前記受信データに追加して、前記第三のセルコントローラまたは前記バッテリコントローラに送信する無線電池システム。
請求項１の無線電池システムにおいて、
前記複数のセルコントローラおよび前記バッテリコントローラは、データを送受信するアンテナを有し、
前記複数のセルコントローラのいずれかのセルコントローラが有する前記アンテナは、デーの受信先または送信先である前記セルコントローラまたは前記バッテリコントローラのアンテナの方向に指向性が強くなっている無線電池システム。
請求項１の無線電池システムにおいて、
前記複数のセルコントローラ中の各セルコントローラのデータ送信時間が同じになるように、前記複数のセルコントローラはデータ送信を完了した後も所定の時間送信を続ける無線電池システム。
請求項１の無線電池システムにおいて、
前記バッテリコントローラは、
データ送信先の前記セルコントローラへ起動信号をデータ送信し、
データ送信から所定時間経過後、データ受信先の前記セルコントローラからデータを受信すると、データ受信先の前記セルコントローラへ起動信号を送信し、
起動信号送信から所定時間経過後、データ送信先の前記セルコントローラからデータを受信するように、データ送信先とデータ受信先を交互に入れ替えて通信する無線電池システム。